歷史文獻：人-機-環(huán)境系統(tǒng)工程(學)概論

　　陳 信    龍升照

　　(北京航天醫(yī)學工程研究所)

　　隨著現(xiàn)代科學技術的飛速發(fā)展，人體科學和工程技術的相互滲透，逐步形成了一門嶄新的邊緣科學——人-機-環(huán)境系統(tǒng)工程(學)。人-機-環(huán)境系統(tǒng)工程(學)，通過揭示人、機（計算機或機器）、環(huán)境之間相互關系的規(guī)律，確保人-機-環(huán)境系統(tǒng)的總體性能最優(yōu)。我們提出這門學科的目的，不僅是對以往實踐經驗進行概括和總結，而且是為了推動該學科業(yè)已開始的發(fā)展和迎接隨即來臨的更大進展，并強調指出它對科學技術發(fā)展的重要意義。

　　一、人-機-環(huán)境系統(tǒng)工程(學)的提出

　　人-機-環(huán)境系統(tǒng)工程(學)是一門技術科學。技術科學是直接為工程技術服務的，它是實踐經驗的理論總結，又是實踐的需要。我們是通過載人航天研究的實踐抽象概括出來的。

　　載人航天的中心問題是把人送入宇宙空間，并在航天特殊環(huán)境下（如高溫、低壓、缺氧、超重、失重、振動、噪音……等），既要保證人的生命安全，又要提高他的工作能力。為了實現(xiàn)這一點，在載人航天的早期研究中，注意力主要是放在選拔和訓練航天員上。人類個體之間是有差異的，因而盡量從人本身挖掘潛力，提高人本身的性能，使人能勝任航天工作，是很有意義的。但是，這里出現(xiàn)了兩個問題：第一，在航天的特殊環(huán)境下，依靠選拔、訓練來提高人耐受各種物理因素的能力，是很有限度的。溫度超過100℃，再選拔、再訓練，人也是要死的；第二，在載人航天過程中，航天員必須在航天特殊環(huán)境下，進行諸如搜索、識別、跟蹤、控制、停靠和對接等一系復雜的工作，各種機器要求人接受大量信息，并完成各種精細的操縱動作，這往往也超出了人的工作能力極限。同樣，用選拔、訓練等手段來提高人的工作能力也是不行的。矛盾如何解決？最根本的出路在于，針對航天這種特殊環(huán)境，從人體和機器的有機結合中去尋找，一方面，既要認真考慮用選拔、訓練等手段來提高人適應機器的能力；另一方面，在機器設計中，也應充分注意機器適應人的問題。例如，通過對人體進行研究，可以確定人耐受航天特殊環(huán)境的極限，找出適合人工作能力的限度。但是，單憑這個還不行。就航天供氧而言，我們知道，人沒有氧氣不行，

　　缺少氧氣也不行。飛機座艙里的氧分壓下降到140mmHg（1mmHg=133.322Pa），人就要產生缺氧。這時，就應該在機器設計中想辦法去維持人的耐受度，因此就需要搞一套人工環(huán)境，或采取個體防護措施，這就要靠工程來實現(xiàn)。顯而易見，此工程必須考慮到人的因素、環(huán)境因素和技術因素等。如果把諸因素的各個環(huán)節(jié)構成一個系統(tǒng)，并研究整個系統(tǒng)各環(huán)節(jié)間信息傳輸?shù)南嗷リP系，從中分析、權衡，尋找出最佳工作狀態(tài)，使該系統(tǒng)在“安全、高效、經濟”諸方面獲得最佳效果，這就是我們提出的“人-機-環(huán)境系統(tǒng)工程(學)”的研究任務。所以，只有把研究人體機能的科學——人體科學和研究機器實現(xiàn)的科學——工程技術，有機地結合在一起，才能保證載人航天活動的圓滿成功，這正是形成人-機-環(huán)境系統(tǒng)工程(學)的基礎。

　　應該指出，載人航天研究中提出的問題是帶著普遍性的。例如，在航空研究中遇到的情形，與航天極為相似。一架現(xiàn)代化的殲擊機，飛行員不僅要經受高空環(huán)境中各種不利因素的影響，而且隨時隨地都要維持飛機的優(yōu)良飛行狀態(tài)。尤其在兩相格斗的關鍵時刻，飛行員不但要識別、跟蹤敵方目標，而且要使自己處于有利地位，抓住時機，向敵機發(fā)起攻擊；與此同時，他還必須設法躲避、擺脫敵機的威脅，以達到保存自己，消滅敵人的目的。這時候，在不到半分鐘的短時間里，飛行員也許要完成七八個飛行動作，同時還要觀察大量儀表。所以，如果不考慮特殊環(huán)境下的飛行員和飛機的有機結合問題，其后果是不堪設想的。再如，一艘潛水艇，在深海的高壓、密閉環(huán)境下，只有潛艇人員與潛艇的高度有機結合，才能確保其戰(zhàn)斗性能。又如，一輛坦克，在惡劣的振動和噪聲環(huán)境下，只有坦克手與坦克的有機結合，才能極大地發(fā)揮其戰(zhàn)斗力。以上是軍事裝備方面的情況。在民用生產中也存在同樣情形，例如，在一個鋼鐵工廠里，在高溫環(huán)境下，如何考慮煉鋼工人和煉鋼機械的關系；在化工廠里，在有害氣體污染的環(huán)境下，如何考慮操作人員和化工機械的關系，極大地提高生產效率。這些也是人們極為重視的問題……凡此種種，不一而足。

　　值得強調的是，電子計算機的誕生和發(fā)展，極大地加強了人體腦力勞動的功能。在科學技術蓬勃發(fā)展的今天，只要稍許復雜一點的對象，幾乎都用計算機進行控制。在人-機-環(huán)境系統(tǒng)中，由于計算機的參與，使人的作用從一個直接操作者變?yōu)楸O(jiān)控者和決策者。這不僅使系統(tǒng)性能大為提高，而且系統(tǒng)結構也在發(fā)生變化。人和計算機各有所長，也各有其短。讓計算機執(zhí)行大量的、重復性的、程序化的體力勞動和腦力勞動，而讓人完成高級的、創(chuàng)造性的（其中包括不可預見的）思維活動，人通過界面直接與計算機發(fā)生關系，這是當代科學技術和生產技術發(fā)展的重要特點。在飛機的發(fā)展中，計算機的應用使座艙儀表大為簡化，只用幾個顯示屏幕，并配合一些適當儀表，就可把飛機的全部信息顯示出來。這不僅可大大提高飛行員駕駛飛機的能力，而且還可減少機組人員。在“阿波羅”飛船中，人和計算機之間配有“程序”、“動詞”和“名詞”的場致發(fā)光顯示器的相應控制按鈕。根據(jù)各個飛行階段的任務，航天員可從100條程序中任選一條，每條程序又可選100個動詞和100個名詞中的任何一個。比如，在相當于月球軌道階段的程序中，航天員可選一個動詞“計算”和一個名詞“失敗速度”。這時，航天員就能在顯示器上看到在月球軌道飛行階段上失敗速度的三個正交分量，它們告訴航天員，若此時此刻飛行失敗，安全返回地球的應有速度是什么。很顯然，共有100萬種（106 ）可能性供航天員與計算機發(fā)生聯(lián)系。這樣，航天員就能從各種途徑、并能在各級水平上最充分地結合到各種類型的特定系統(tǒng)中去，從而大大提高載人航天活動的安全性和可靠性。顯而易見，隨著計算機的高度發(fā)展和被控對象的不斷復雜化，必然會把計算機引入到人-機-環(huán)境系統(tǒng)中來。因此，人-機-環(huán)境系統(tǒng)工程(學)應發(fā)展為人-計算機-機-環(huán)境系統(tǒng)工程(學)這樣一個新的含義，它也可寫作人-機（或計算機）-環(huán)境系統(tǒng)工程(學)。

　　綜上所述，從天上到地下，從陸地到海洋，從軍事到民用，在這些相當廣泛的不同領域里，都提出了一個人們共同關心的問題：在各種特殊環(huán)境下，如何用科學的辦法來使人和機器（或計算機）進行有機結合，以發(fā)揮其最大效能？人-機-環(huán)境系統(tǒng)工程(學)正是適應這方面的需要而登上科學技術舞臺的。人-機-環(huán)境系統(tǒng)工程(學)，它從總體觀念出發(fā)，將人、機器（或計算機）、環(huán)境看作是一個相互作用、相互依賴的超巨系統(tǒng)（圖1），并運用系統(tǒng)工程的方法，合理地安排系統(tǒng)中每一個布局，以獲得系統(tǒng)的整體最優(yōu)化。

　　二、人-機-環(huán)境系統(tǒng)工程(學)的研究范疇

　　人-機-環(huán)境系統(tǒng)工程(學)的研究對象是人-機-環(huán)境系統(tǒng)。這里所稱的“人”，是指作為主體工作的人；所稱的“機”，是指人所控制的一切對象的總稱，它大至一個飛船或一架飛機，小至微小環(huán)境、個人裝備等；所稱的“環(huán)境”，是指人、機器（或計算機）共處的特殊條件，它既包括物理因素的效應，也包括社會因素的影響。人-機-環(huán)境系統(tǒng)工程(學)把“人”、“機”、“環(huán)境”看作是系統(tǒng)的三大要素。并通過這三大要素之間的信息傳遞、信息加工和信息控制等作用，組成一個非常復雜的超巨系統(tǒng)（圖1）。很顯然，對任何一個系統(tǒng)來說，系統(tǒng)的總體性能不僅取決于各組成要素的單獨性能，而且更重要的是取決于系統(tǒng)中各要素的關聯(lián)形式，也即信息的傳遞、加工和控制的方式。例如，金剛石和石墨的化學成分都是碳元素，但由于兩者的原子排列、結構組合不同，卻導致了截然不同的物理性能，這些淺顯的道理，當然已為人們所共知。同樣，在人、機、環(huán)境的總體結合上，情況更是如此。人體本身是一個巨系統(tǒng)，機器（或計算機）也是一個巨系統(tǒng)，再加之各種惡劣環(huán)境的影響，因而便構成了人-機-環(huán)境這個超巨系統(tǒng)。面對這樣龐大的系統(tǒng)，如何實現(xiàn)它們之間的最優(yōu)組合呢？人-機-環(huán)境系統(tǒng)工程(學)，正是從“系統(tǒng)”的總體高度出發(fā)，一方面既注意研究人、機、環(huán)境各要素本身的性能，另一方面卻更重視研究這三大要素之間的相互關系、相互作用、相互影響，以及它們的協(xié)調方式，并借助系統(tǒng)工程的科學成就，

　　引導人們有條不紊地找到最優(yōu)組合方案，使人-機-環(huán)境系統(tǒng)的總體性能達到最佳狀態(tài)。這種最佳狀態(tài)一般都應滿足安全、高效、經濟等指標。舉例來說，飛船的座艙壓力，究竟多大合適？是二分之一個大氣壓力好呢，還是三分之一個大氣壓力好？人們對此也曾進行過分析。但這種分析，由于沒有采用一套科學方法，今天看來，就顯得比較粗糙。為什么呢？我們知道，如果與通常采用的一個大氣壓力相比，飛船座艙采用二分之一個大氣壓力，對航天員來說，不會造成缺氧；而且，由于與外界的壓力差小，對飛船的壓力負擔就可能小一點，因而飛船的重量也許能有所減輕。如果采用三分之一個大氣壓力，飛船的重量將會減輕得更多，但這時對航天員來說，產生缺氧的可能性就增加了。究竟哪個是最佳值？我們只要采用系統(tǒng)工程的方法，對飛船這個特定的人-機-環(huán)境系統(tǒng)進行科學地分析，就能找到一個明確的答案。飛船座艙壓力的變化，對飛船設計的重量有多大影響？經濟上合適不合適？人在這種環(huán)境中能生活得如何？這一切，通過計算分析或數(shù)學模擬，都可以事先預測出來。如果只是局限于以往的知識，硬往上湊，那是不科學的。當然，湊出來的結果，有時可能會相對合理。但是，可能有比它更合理的，我們還不知道，因為沒有用最優(yōu)化方法來逼近那個最合理的最佳狀態(tài)。所以，采用系統(tǒng)工程方法來對人-機-環(huán)境系統(tǒng)進行最優(yōu)化分析，就能避免盲目性，工作少走彎路，最終達到安全、高效、經濟等多個目標。這正是人-機-環(huán)境系統(tǒng)工程(學)研究面臨的最終課題。

　　但值得強調指出的是，人-機-環(huán)境系統(tǒng)工程(學)，雖然著重強調從系統(tǒng)的高度、總體的高度來思考問題，同時也必須主張對單個的人體、機器（或計算機）和環(huán)境作更細致的研究。因為系統(tǒng)各部分的各自性能研究得愈透徹，分析得愈仔細，用系統(tǒng)工程的方法來綜合人-機-環(huán)境系統(tǒng)的基礎也就愈牢靠、愈扎實。例如，深入研究各種環(huán)境因素對人體的影響，并找出人體的耐受限度和保證工作效率的界限，仍是十分重要的；與此同時，從機器（或計算機）設計的角度，大力研究保證人正常生活和工作的最佳技術途徑，同樣也是必不可少的。更甚之，若再能對造成各種特殊環(huán)境物理條件的作用機制進行仔細研究，并設法從根本上杜絕或減輕環(huán)境因素的影響，那就更加完善了。通過上述三個方面的研究，就能獲得進行人-機-環(huán)境系統(tǒng)綜合的必要參數(shù)。有了這套參數(shù)，才能用系統(tǒng)工程的方法進行最優(yōu)化選擇，否則是不可能的。所以，只見樹木，不見森林；或者只見森林，不見樹木，這都不是人-機-環(huán)境系統(tǒng)工程(學)的研究方針。因此，對人-機-環(huán)境系統(tǒng)工程(學)研究來說，只有把個別分析與整體綜合融為一體，才能為揭示人、機、環(huán)境相互關系的規(guī)律，開辟一條切實可行的道路。

　　三、人-機-環(huán)境系統(tǒng)工程(學)與一些學科的關系

　　人-機-環(huán)境系統(tǒng)工程(學)，是一門綜合性的邊緣科學，它一方面有著它自己的理論體系，而另一方面又與一些學科存在著密切關系，同時也有區(qū)別。

　　當然，為了形成人-機-環(huán)境系統(tǒng)工程(學)的理論體系，它從一系列基礎科學中汲取了豐富的營養(yǎng)。諸如：控制論、信息論、一般系統(tǒng)論、巨系統(tǒng)理論、系統(tǒng)工程論、計算機技術、電子工程學、人體科學、環(huán)境醫(yī)學、生物醫(yī)學工程，人-機系統(tǒng)理論等等，都為人-機-環(huán)境系統(tǒng)工程(學)的發(fā)展奠定了理論基礎。

　　與此同時，當今發(fā)展起來的一些新興理論，例如：模糊集理論、耗散結構理論、協(xié)合學和突變理論等，也為人-機-環(huán)境系統(tǒng)工程(學)研究打開了新的思路，并提供了新的手段。

　　關于人-機-環(huán)境系統(tǒng)工程(學)的理論體系問題，我們打算另文論述。在這里，我們著重強調人-機-環(huán)境系統(tǒng)工程(學)與幾個相近學科的關系和區(qū)別，以突出人-機-環(huán)境系統(tǒng)工程(學)的學科含義、研究任務和目的意義。

　　第一，人-機-環(huán)境系統(tǒng)工程(學)與生物醫(yī)學工程既有聯(lián)系，又有區(qū)別。目前，我們國內所稱的生物醫(yī)學工程，與國際上的習慣叫法是基本一致的，它的學科含義，實際上是指醫(yī)務工程，也即是圍繞醫(yī)學用的各種工程，如手術器械、醫(yī)療電子儀器、人工臟器等這類東西，都屬于生物醫(yī)學工程的研究范疇。人-機-環(huán)境系統(tǒng)工程(學)與這門學科有些關系，有時在人-機-環(huán)境系統(tǒng)中也用一點醫(yī)務工程方面的東西，但兩者的出發(fā)點是不同的。生物醫(yī)學工程是側重于取代或恢復人體的機能狀態(tài)；而人-機-環(huán)境系統(tǒng)工程(學)是側重于改善系統(tǒng)的總體性能。

　　第二，人-機-環(huán)境系統(tǒng)工程(學)與環(huán)境醫(yī)學也既有聯(lián)系，又有區(qū)別。通常，環(huán)境醫(yī)學是研究各種環(huán)境因素對人體的影響，找出它們的影響規(guī)律，并決定應采取何種醫(yī)學防護措施。所以，環(huán)境醫(yī)學需要研究特殊環(huán)境中的全部醫(yī)學生理學問題；而人-機-環(huán)境系統(tǒng)工程(學)則是側重研究特殊環(huán)境對人、對機器（或計算機），以至對整個系統(tǒng)的影響。當然，人-機-環(huán)境系統(tǒng)工程(學)是要運用環(huán)境醫(yī)學的研究成果的。

　　第三，人-機-環(huán)境系統(tǒng)工程(學)與人-機系統(tǒng)理論也有著十分密切的聯(lián)系，當然也有區(qū)別。通常，在人-機系統(tǒng)理論中，環(huán)境是作為一種干擾因素而引入系統(tǒng)的；但人-機-環(huán)境系統(tǒng)工程(學)卻與此不同，它是把環(huán)境作為系統(tǒng)的一個環(huán)節(jié)而引入（圖1），并且環(huán)境與人、環(huán)境與機器（或計算機）、環(huán)境與系統(tǒng)之間，既存在著信息流通、信息加工問題，也存在信息控制問題。這樣，就把環(huán)境因素從人-機系統(tǒng)理論中的單純消極因素，轉化為一個主動的積極因素，這就更加突出了環(huán)境因素在人-機-環(huán)境系統(tǒng)工程(學)研究中的重大作用。當然，人-機系統(tǒng)理論的許多觀點，如人-機通信、人-機界面、人-機配合等，也將被用于人-機-環(huán)境系統(tǒng)工程(學)研究。

　　總而言之，人-機（或計算機）-環(huán)境系統(tǒng)工程(學)是一門綜合性學科，是屬于技術科學。當科學技術的發(fā)展正在創(chuàng)造一個又一個奇跡，而人類的足跡也不斷擴展到更遙遠的宇宙空間之際，人-機（或計算機）-環(huán)境系統(tǒng)工程(學)所肩負的責任更加廣泛，更加艱巨。因此，我們應該不斷完善和盡量加快這門學科的發(fā)展，使它盡早地在科學技術發(fā)展中發(fā)揮它應有的威力！

        (注：本文是人-機-環(huán)境系統(tǒng)工程的創(chuàng)立文獻。它于1981年由龍升照同志主筆撰寫，陳信同志審定后在航天醫(yī)學工程研究所的學術年會上報告，并在航天醫(yī)學工程研究所的《論文匯編(三)》上發(fā)表。本文于1985年在《自然雜志》第八卷第1期上公開發(fā)表。)

　　(文獻來源:《論文匯編(三)》,航天醫(yī)學工程研究所,1981；《自然雜志》,8(1)，1985)